光子学与光电子学原荣第2章节光波在光纤波导中的传输

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1、第2章光波在光纤波导中的传输2.1光与介质的相互作用2.2平板介质波导2.3光线光学分析光纤传光原理2.4导波光学分析光纤模式2.5光纤的基本特性2.6光纤的传输特性尚辅网http://shangfuwang.com/2.1.1斯奈尔定律和全反射1.光的反射和折射把筷子倾斜地插入水中，可以看到筷子与水面的相交处发生弯折，原来的一根直直的筷子似乎变得向上弯了。这就是光的折射现象尚辅网http://shangfuwang.com/水下的潜水员在某些位置时，他可以看到岸上的人，如图1.3.2入射角为i

2、1的情况，但是当他离开岸边向远处移动时，当入射角等于或大于某一角度c时，他就感到晃眼，什么也看不见。此时的入射角c我们就叫临界角。尚辅网http://shangfuwang.com/图2.1.3光波从折射率较大的介质入射进入折射率较小的介质，在边界反射和折射尚辅网http://shangfuwang.com/2.1.1斯奈尔定律和全反射从几何光学我们可以得到（见图1.3.1左上角小图）或者这就是斯奈尔（Snell）定律，它表示入射角和折射角与介质折射率的关系。该定律由Fresnel发明。尚辅网

3、http://shangfuwang.com/图2.1.4光波从折射率较大的介质以三种不同的入射角进入折射率较小的介质,出现三种不同的情况（a）i<c（b）i=c（c）i>c当透射角达到90°时，入射光沿交界面向前传播，如图2.1.4（b）所示，此时的入射角称为临界角;当入射角超过临界角（i>c）时，没有透射光，只有反射光，这种现象叫做全反射，全反射就是光纤波导传输光的必要条件。尚辅网http://shangfuwang.com/光纤波导传输光的原理尚辅网http://shang

4、fuwang.com/2.1.2内/外反射1.TE波、TM波、消逝波和线偏振在2.1.1节中,已用具有恒定相位波前的光线光学解释了光在介质中的反射和折射，但是为了获得反射和折射波的幅度和它们之间的相位关系，我们必须考虑光波中的电场。该电场必须垂直于传输的方向，如图2.1.5所示，并可分解位与入射平面垂直的电场分量和平行的磁场分量。入射平面是包含入射光线和反射光线的平面，电场和磁场分量分别有入射波、反射波和折射波分量。尚辅网http://shangfuwang.com/图2.1.5光波从折射率较大的

5、介质进入较小的介质,电场与传输方向正交,并可分解为与入射面垂直的电场分量和平行的磁场分量尚辅网http://shangfuwang.com/菲涅耳方程利用电磁波从介质1传播到介质2的边界条件，我们很容易获得反射波和折射波幅度的表达式，这些关系式叫菲涅耳方程。电场的反射和折射系数是这些方程的重要意义在于，反射波和透射波的幅度和相位可用反射系数和透射系数来描述.尚辅网http://shangfuwang.com/偏振角或布鲁斯特（Brewster）角偏振角或布鲁斯特角，由下式给出（2.1.8）此时的反

6、射光称为线偏振光，因为此时的光波只有在一个确定平面内的电场分量，并与入射平面和传输方向垂直。然而非偏振光的电场却有无数个与传输方向垂直的电场分量。从许多光源发射的光，例如钨灯或LED二极管是非偏振光。非偏振光可认为是一束光或一些垂直于光传输方向随机发射的电磁波的集合。尚辅网http://shangfuwang.com/图2.1.6在内反射时由菲涅耳方程得出的反射系数幅度和相位变化与入射角的关系尚辅网http://shangfuwang.com/图2.1.7在外反射时由菲涅耳方程得出的反射系数幅度与

7、入射角的关系尚辅网http://shangfuwang.com/图2.1.8入射角等于布鲁斯特角p时只有一个垂直于入射平面的反射光电场分量尚辅网http://shangfuwang.com/光强、反射率和透射率光强I与光波传输的速度和电场幅度有关（2.1.13）反射率R用反射光的强度和相对应入射光的强度之比来度量，法线入射的反射率只与介质的折射率有关（2.1.15）因为玻璃的折射率约为1.5，所以光从空气-玻璃界面反射将有4%的光被反射回来。（2.1.17）而且反射光和透射光之和必须等于1。尚辅

8、网http://shangfuwang.com/图2.1.9镀抗反射膜以减少反射光强度当光入射到光电器件的表面时总会有一些光被反射回来，除增加耦合损耗外，还会对系统产生不利的影响，为此需要在器件表面镀一层电介质材料，以便减少反射。2.1.3抗反射膜尚辅网http://shangfuwang.com/抗反射膜工作原理尚辅网http://shangfuwang.com/2.1.4古斯-汉森相移和分光镜图2.1.10全反射时反射光线在界面横移了z（古斯-汉森相移）光波从折射率较大的介质